基于三維GIS技術的固體礦產勘查系統設計及應用

王曉強

（甘肅省地質礦產勘查開發局第四地質礦產勘查院，甘肅 酒泉 735000）

固體礦產勘查系統是集數據采集、數據處理、數據分析等多功能地質勘查系統，在應用過程中要具有對固體礦產勘查對象綜合分析的功能，由于傳統系統所確定的靶區與實際礦產資源所在位置存在一定距離，不能準確反映出礦床所在具體位置，為此提出基于三維GIS技術的固體礦產勘查系統設計及應用，利用三維GIS技術優勢，提高系統勘查精度。

1 基于三維GIS技術的固體礦產勘查系統硬件設計

1.1 無線傳感器

無線傳感器的作用是對固體礦產勘查數據進行采集，為了保證數據采集的精準、有效，此次采用集成的多光譜相機作為傳感器，負責礦山地質數據采集。多光譜相機分為多鏡頭分光和單鏡頭分光兩種，由于此次開發的是固體礦產勘查系統，數據采集范圍比較寬廣，且對數據采集質量要求較高，所以選擇單鏡頭分光更有利于礦產勘查數據采集，單鏡頭分光結構的多光譜相機在高空環境下對數據采集具有更大的優勢，不會出現各個波段圖像上礦山水工環地質圖像的不完全重合現象，除此之外該相機在數據采集過程中，光照、氣象、飛速、氣流等因素對其影響較小，采集的多光譜數據質量較高[1]。所以此次采用美國HKH公司生產的嵌入式多光譜相機，該相機擁有五個獨立的成像器，分別配上特制的濾光片，能讓每個成像器接收到波長范圍的光譜。它為礦業級別的成像儀，具有不同光照狀態下的高動態量程，同時沒有一般無人機錄像和拍照時產生的偽象[2]。除此之外還具有一個熱成像的功能，使外界環境因素對其影響較小，且能夠捕獲對齊的高分辨率、多光譜和熱圖像。重要的是該多光譜相機具有較高的空間分辨率和地物分辨率，意味著更準確的數字表面模型，采用USB的接口容量可以達到128GB，通過Ethernet或串口與飛行器連接，實現直接配置，狀態變化以及相機控制，下表為多光譜相機電氣參數。

表1 光譜相機電氣參數

1.2 無人機

無人機是無線傳感器搭載平臺，主要作用是攜帶無線傳感器采集固體礦產勘查數據，根據系統設計要求，此次采用六旋翼無人機，六旋翼無人機相比較雙旋翼無人機和四旋翼無人機具有良好的飛行優勢，在飛行過程中能夠通過六個或八個控制量產生六個自由度的輸出，來改變飛行動作、方向、姿勢和位置，且六旋翼無人機屬于高階非線性多變量強偶合的欠驅動裝置，在對固體礦產勘探數據采集過程中可以對其進行容錯飛行控制，如果在飛行過程中出現電機故障，無人機仍然可以繼續飛行，具有良好的穩定性和可靠性[3]。此次采用德國進口GFT-64型號六旋翼無人機，該無人機采用先進的高強度、高剛性進口碳纖維復合材料，一體成型技術，根據機身不同部位的受力分析設計相應的紗層厚度，從而在保證剛性和強度的情況下保持機身重量最輕。低速盤式電機和大尺寸碳槳的高效率組合使得單機臂提供近5Kg的拉力，并且飛行器可以懸掛不同重量的負載以及應對高海拔作業[4]。全碳纖維機身、剛性好、重量輕，負載荷飛行大于50分鐘，上翹機臂設計，增加飛行平穩性，抗風能力大于6級，可在海拔5千米以上地區飛行，插拔式快拆結構，展開時間小于5分鐘，高度集成防雨云臺套件設計，可雨中飛行，智能飛控系統，支持手動精準操控及自主飛行模式，能夠輔助多光譜相機完成固體礦產勘查數據采集任務。

2 基于三維GIS技術的固體礦產勘查系統軟件設計

2.1 數據采集

上文中提到數據采集過程中應用的硬件設備有無線傳感器和無人機，在該過程中應用的軟件技術主要是三維GIS技術。三維GIS技術主要是采集到固體礦產三維數據，其采集到的數據具有固定的數據幀格式，且采集數據有兩種模式，一種是廣播模式，另一種是默認模式，在廣播模式下，三維GIS技術自動采集數據，默認的數據采集頻率為165Hz，同時也可以通過發送SET-BROADCASTMODE數據包，來自行匹配廣播模式下的采集頻率，配置范圍在45Hz-120Hz之間，在廣播模式下，系統默認接收全部的六個自由度GIS數據[5]。除此之外還可以根據系統數據采集需求，通過發送SET-ACTIVE-CHANNELS數據包設置GIS數據活動通道的數量，接收數據，以此實現固體礦產勘查三維數據采集。下表為三維GIS技術常用數據包。

表2 三維GIS技術常用數據包

2.2 數據處理

由于三維GIS技術采集到的數據格式有的為ASCLL碼，有的數據格式為十六位進制，將采集的數據寫入到TXT文本文件中時，一部分數據不能被直接讀取，為了能夠更好的實現固體礦產勘查數據分析，需要對采集的數據做數據格式轉換，將無線傳感技術與三維GIS技術采集到的數據統一轉換為十六位進制數據格式，然后對數據進行解析，將有效的數據按一定的排列格式寫入TXT文件中[6]。除此之外，還要將無線傳感技術采集到的圖片數據利用LAB VIEW圖形化語言編寫軟件進行圖像格式處理，LAB VIEW圖形化語言編寫軟件是一個專用的圖像數據轉換軟件，圖像數據處理過程由TXT文件讀取、圖像數據校驗、圖像數據解算、圖像數據波形顯示和數據再存儲五個步驟，通過LAB VIEW圖形化語言編寫軟件處理后可以得到六自由度的數據，最后將處理后的圖像數據與GIS數據進行再存儲，共同保存到新的文本文件中，以此實現固體礦產勘查數據處理。

2.3 數據分析

基于三維GIS技術的固體礦產勘查系統數據分析功能主要是利用三維地質勘查模型軟件技術實現的，將處理后的數據輸入到三維地質勘查模型中，模型對數據進行網格化處理，將所有采集到的數據一對一標注到模型上，形成一個與實際勘查項目相一致的三維地質勘查模型。該軟件技術能夠提供矢量化礦產勘查地質剖面圖，根據系統數據庫中保存的數據，自動分析出礦產地層、構造、巖漿巖等地質特征；根據輸入的礦產巖性數據，自動生成礦產巖土體分界曲面，用于分析礦產巖石特征；通過輸入的GIS數據，分析出礦產資源具體所在位置，以及礦產規模和礦床走向等。通過該軟件技術對數據的分析，確定出最終固體礦產開采靶區，以此實現基于三維GIS技術的固體礦產勘查系統軟件設計。

3 實驗

此次實驗以某礦區作為實驗對象，根據礦區勘查范圍，利用五個傳感裝置對數據進行同時采集，采集頻率為140Hz，GIS數據采集波特率設置為12500bps，數據輸出格式為GPGGA，利用此次設計系統與傳統系統對該礦區進行礦產勘查，對比兩種系統勘查誤差，實驗結果如下圖所示。

圖1 兩種系統勘查誤差對比

從上圖可以看出，此次設計系統勘查誤差遠遠低于傳統系統，得到的勘查結果與實際礦產所在位置相符合，所以實驗證明了此次設計的系統能夠滿足固體礦產勘查精度需求。

4 結束語

此次將三維GIS技術應用到固體礦產勘查系統開發設計中，實現礦產勘查數據的數據整合，使固體礦產勘查系統能夠直觀分析出固體礦產所在位置，有效降低了系統勘查誤差，對固體礦產勘查具有較高的應用價值。由于個人能力有限，雖然此次取得了一定的研究成果，但該系統尚未經過大量實際應用操作，可能還存在一些不足之處，還需要在今后應用過程中對其進行完善和創新。